崔 媛 ,武艷君 ,孫萌萌,常洪艷 ,馬福秋

(哈爾濱工程大學(xué) a.核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.組織部；c.圖書館；d.外語系 哈爾濱 150001)

依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力

崔 媛a,武艷君b,孫萌萌c,常洪艷d,馬福秋a

(哈爾濱工程大學(xué) a.核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；b.組織部；c.圖書館；d.外語系 哈爾濱 150001)

通過分析虛擬仿真技術(shù)對核工程與核技術(shù)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的促進(jìn)作用，闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的必要性。結(jié)合核科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)實(shí)際，探討虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系對提高實(shí)踐教學(xué)有效性的作用。

虛擬仿真；實(shí)踐教學(xué)；有效性；探索

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容

教育信息化是信息時代教育改革發(fā)展的必然，也是教育現(xiàn)代化的核心特征?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》指出:“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視?！盵1]近年來，教育部加強(qiáng)了對實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作和實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化工作的宏觀指導(dǎo)。2013年3月教育部頒布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃( 2011～2020 年) 》從頂層設(shè)計(jì)入手，從宏觀戰(zhàn)略的高度提出了建立具有中國特色的教育信息化體系，建成人人可享有優(yōu)質(zhì)教育資源的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，建設(shè)學(xué)習(xí)型社會的信息化支撐服務(wù)體系的中長期目標(biāo)、任務(wù)和措施，并分別制定了基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、高等教育、繼續(xù)教育和教育管理信息化發(fā)展水平框架[2]。

國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作是高等教育信息化的組成部分[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其對于那些涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及需要高成本、高消耗的大型或綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢，并對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想、體系、模式、內(nèi)容、方法以及手段等都產(chǎn)生了意義深遠(yuǎn)的顛覆性影響[4]?？梢哉f，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，體現(xiàn)出信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展和與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新。

2 虛擬仿真技術(shù)對核工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的促進(jìn)作用

2.1 虛擬仿真教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣

作為一門技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備眾多的學(xué)科，核工程與核技術(shù)專業(yè)教學(xué)的一個重要要求就是直觀、形象、生動，但在目前國內(nèi)廣大院校的實(shí)際教學(xué)中往往難以直接展示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、作用原理及工作流程等教學(xué)內(nèi)容，這對學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識極為不利[5]。通過虛擬仿真方法建立的核電站系統(tǒng)與設(shè)備模型，可以使學(xué)生通過人機(jī)交互的方式對核電模型進(jìn)行瀏覽，在模型內(nèi)部自由“漫游”，使他們能非常直觀地學(xué)習(xí)核電站系統(tǒng)與設(shè)備結(jié)構(gòu)。這樣不僅將復(fù)雜、抽象的內(nèi)容具體化、形象化，提高了教學(xué)質(zhì)量，而且還可以調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

核工程與核技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)應(yīng)貫穿于整個教學(xué)過程。實(shí)踐教學(xué)環(huán)境的好壞對掌握專業(yè)知識至關(guān)重要。三維虛擬軟件和多媒體系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，可對專業(yè)教育起到很好的促進(jìn)作用。三維虛擬軟件與多媒體系統(tǒng)相結(jié)合，打破了時間、空間、經(jīng)費(fèi)等方面的局限性，為學(xué)生提供了真正的“開放性教學(xué)環(huán)境”，提高了學(xué)生的自主動手能力和創(chuàng)新能力[6]。相對于傳統(tǒng)的“板書+掛圖”或純PPT播放等教學(xué)形式而言，虛擬仿真教學(xué)形式新穎，能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的求知欲望，有利于提高教學(xué)效果。虛擬技術(shù)改善了教育、教學(xué)環(huán)境，擴(kuò)大了學(xué)生學(xué)習(xí)的空間和時間，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)能力。

2.2 虛擬仿真教學(xué)有助于提高學(xué)生的空間想象能力

利用虛擬仿真的方法能形象、生動地描繪出傳統(tǒng)課堂上無法準(zhǔn)確、細(xì)致表達(dá)的復(fù)雜圖形、圖像等。借助虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件等模擬出核電站復(fù)雜系統(tǒng)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理、工作流程、空間位置布局、立體圖形的生成過程等。通過對這些過程的模擬可以實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)、線、面到體的全程模擬，幫助提高學(xué)生的空間想象能力和形象思維能力。通過虛擬仿真技術(shù)可以使對系統(tǒng)的理解更形象、直觀且全面，也克服了專業(yè)教學(xué)中教師難講，學(xué)生難學(xué)的弊端。

2.3 虛擬仿真教學(xué)有利于保障學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)安全

由于專業(yè)的特殊性，核工程與核技術(shù)專業(yè)的教學(xué)和實(shí)習(xí)存在著極大的局限性，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)就要涉及放射性，學(xué)生有懼怕心理。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行教學(xué)和實(shí)踐具有很好的安全性和可重復(fù)操作性，因而利用虛擬仿真系統(tǒng)對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)是非常好的選擇。虛擬仿真系統(tǒng)可以有效降低對操作人員的輻射劑量、節(jié)省經(jīng)費(fèi)，而且還可以通過生動逼真的視覺、聽覺和觸覺等感受，使操作人員如同在真實(shí)的系統(tǒng)和環(huán)境中操作一樣。此外，通過更深入的虛擬仿真，可以實(shí)現(xiàn)在操作人員發(fā)生錯誤操作時及時發(fā)出報(bào)警信息和操作建議的功能，甚至可以刻意模擬某些在現(xiàn)實(shí)中不大出現(xiàn)但是必須掌握的事故操作，加深學(xué)生對這類事故的認(rèn)識，提高他們處理事故的能力。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在核專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

哈爾濱工程大學(xué)是國內(nèi)最早設(shè)置核專業(yè)的高校之一，專門為我國培養(yǎng)核動力領(lǐng)域從事科學(xué)研究、設(shè)計(jì)開發(fā)的專門人才。學(xué)校根據(jù)國家和教育部有關(guān)文件精神，組織開展核科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)。2014年，核科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成功成為首批100個“國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”之一，是國內(nèi)高校中首個建成、具有國際一流水平的核科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺包括“核動力裝置虛擬教學(xué)系統(tǒng)”“核動力裝置實(shí)時仿真系統(tǒng)”如圖1所示，“核動力裝置輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)”如圖2所示三個虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊[7]，構(gòu)成教學(xué)平臺的硬件系統(tǒng)和工具軟件均來自于學(xué)科和科研建設(shè)與積累。

圖1 壓水堆核電站實(shí)時仿真系統(tǒng)的硬件環(huán)境

圖2 核動力裝置概念設(shè)計(jì)軟件用戶界面

戴上3D眼鏡，投影屏幕上顯示的核電站廠房立刻以三維形式呈現(xiàn)在眼前，反應(yīng)堆、蒸汽發(fā)生器、主泵等核設(shè)備清晰可見；輕點(diǎn)鼠標(biāo)，可以對感興趣的設(shè)備進(jìn)行“拆解”，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還可將其一一裝配，了解設(shè)備的裝配過程……核科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心依托先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，讓學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)；通過仿真模擬的系統(tǒng)來了解整個系統(tǒng)的原理、組成、相互間關(guān)系、運(yùn)行參數(shù)變化、設(shè)備間動態(tài)響應(yīng)等，加深對所學(xué)知識的理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，與實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)緊密結(jié)合，支持本科生入學(xué)教育、通識教育、專業(yè)課程教學(xué)、專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)(包括專業(yè)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì))、大學(xué)生科技創(chuàng)新活動，以及研究生專業(yè)課程教學(xué)、專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，在人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用[8]。同時，還為中廣核集團(tuán)、中核集團(tuán)、中電投、國核技所屬核電站培訓(xùn)新員工約1 000人次，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會聲譽(yù)，對國內(nèi)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域和地區(qū)的人才培養(yǎng)產(chǎn)生了較大的帶動和輻射作用。

4 結(jié)束語

核科學(xué)與技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心自建立以來，突破了原有核工程與核技術(shù)類專業(yè)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)條件的制約，以現(xiàn)代化的教學(xué)手段拓展了實(shí)踐領(lǐng)域，豐富了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，開展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)，出色地完成了本科生、研究生的實(shí)踐教學(xué)工作。提高了實(shí)踐教學(xué)效果，為傳統(tǒng)核工程與核技術(shù)類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)注入了新活力[9]，在提高教學(xué)效率以及學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面起到了積極的促進(jìn)作用。中心將以全面提高學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為宗旨，發(fā)揮學(xué)校核科學(xué)與技術(shù)學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，進(jìn)一步開發(fā)核化工、輻射探測的虛擬仿真教學(xué)資源，搭建全面的、可視化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，更好地服務(wù)于專業(yè)實(shí)踐教學(xué)。

[1]李平,毛昌杰,徐進(jìn).開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè) 提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化水平[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013，32(11)：6-8.

[2] 王衛(wèi)國.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013，32(12)：5-8.

[3]關(guān)于開展國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知(教高司函[2013]94號)[S].2013.

[4]呂守林.以虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為契機(jī),推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009，26(11)：157-159.

[5] 郭江華,聶矗,謝誕梅.虛擬仿真技術(shù)在核工程與核技術(shù)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].中國電力教育，2011(9)：37-38.

[6] 馮其紅,胡偉,王增寶.改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式培養(yǎng)大學(xué)生的工程實(shí)踐能力[J]實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013，32(2)：130-132.

[7] 李亮亮,趙玉珍.材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014，31(2)：5-8.

[8] 蒲丹,周舟.多層次綜合性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)經(jīng)驗(yàn)初探[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014，31(3)：5-8.

[9] 李玉東,劉景艷,閻有運(yùn).依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的探索和實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012，31(3)：105-108.

Cultivate Engineering Practice Ability Based on Virtual Simulation Experiment Teaching Center

CUI Yuana, WU Yanjunb, SUN Mengmengc, CHANG Hongyand, MA Fuqiua

(a. College of Nuclear Science and Technology; b. Department of Organization; c. Library; d. Department of Foreign Languages, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

This paper analyzed the promotion of virtual simulation technology to the practice of nuclear engineering and technology specialty teaching, and discussed the necessity of virtual laboratory construction. Combined with the actual construction of nuclear science and technology of virtual simulation experimental teaching center, we investigated the role of virtual experiment teaching system for improving practice teaching validity.

virtual simulation; experiment teaching; engineering education; exploration

2014-04-21；修改日期: 2014-05-16

黑龍江省高等教育學(xué)會“十二五”教育科學(xué)研究規(guī)劃課題基金資助項(xiàng)目(HGJXHB2110365)。

崔 媛(1979-)，女，碩士，助理研究員，從事高等教育教學(xué)管理研究。

G642.423；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.047